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Produktqualität Optimierung der Zuverlässigkeit

| Autor / Redakteur: *Jürgen Böck / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Ein marktreifes Produkt muss nicht nur alle Qualifikationstests bestehen, sondern es sollte auch zuverlässig sein. Das HALT-Verfahren zielt ausschließlich darauf ab, Schwachstellen zu finden. So kann schon in der Produktentstehungsphase Zuverlässigkeit „hineinentwickelt“ werden. Das Verfahren HASS erlaubt eine Qualitätskontrolle der Fertigungsprozesse.

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Bild:Pixelquelle.de
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( Archiv: Vogel Business Media )

Der Erfolg eines Unternehmens ist auch von der Qualität und Zuverlässigkeit seiner Produkte abhängig. Mangelnde Zuverlässigkeit der Erzeugnisse ist für eine Firma sehr teuer.

Rückrufaktionen der Automobilindustrie in den vergangenen Jahren haben dies anschaulich gezeigt. Die fortschreitende Globalisierung und der damit verbundene Konkurrenzdruck zwingen Unternehmen, neue Produkte in immer kürzeren Zeiten zu entwickeln und auf den Markt zu bringen. Und gerade Qualität und Zuverlässigkeit der entwickelten Produkte sind entscheidende Überlebensmerkmale einer Firma. Hier setzt HALT (Highly Accelerated Life Test) an.

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Sobald in der Entwicklungsphase erste Prototypen zur Verfügung stehen, unterziehen die Entwickler sie umfangreichen Tests und beanspruchen sie über ihre Spezifikationsgrenzen hinaus, um Ausfälle zu provozieren und Schwachstellen aufzudecken. Dabei werden neben Temperatur und Vibration auch Betriebsparameter wie die Versorgungsspannung

variiert, um die Funktions- und Zerstörungsgrenzen des Prüflings zu identifizieren. Es folgt eine gründliche Fehleranalyse und die Verbesserung des Produkts.

Gute Vorbereitung und Planung für einen erfolgreichen Test

Vor dem eigentlichen Test sind eine gute Vorbereitung und Testplanung sowie die Bereitstellung geeigneten Überwachungs-Equipments erforderlich:

  • Definition der „Funktion“,
  • Definition der zu überwachenden Parameter und der Funktionstests während HALT,
  • Definition der Fehlerkriterien,
  • Festlegung der Stressfaktoren,
  • Planung und Aufbau der Aufspannvorrichtung für mechanische Beanspruchung und
  • Festlegung der Prüflingsanzahl (Ersatzsysteme sind empfehlenswert).

Daraufhin stellt der Entwicklungsingenieur des Produktes gemeinsam mit dem HALT-Experten einen Testplan auf.

Für den eigentlichen Test wird eine spezielle Testkammer benötigt (Bild 1). Die Besonderheit dieser Kammer ist der weite Temperaturbereich von ?100 bis 200 °C sowie der schnelle Temperaturwechselkoeffizient von bis zu 60 K/min. Für die mechanischen Tests kann die Kammer Anregungen mit sechs Freiheitsgraden erzeugen, die sich in einem Frequenzbereich von 20 bis 10.000 Hz und einer

Effektivbeschleunigung von bis zu 50 grms bewegen.

Der eigentliche Testablauf ist nicht strikt vorgegeben, sondern richtet sich auch nach dem jeweils verwendeten Prüfling. Das Produkt wird nacheinander vier verschiedenen Beanspruchungen ausgesetzt:

1. Temperaturstufenprüfung (Kälte und Hitze),

2. schnelle Temperaturwechselprüfung,

3. Vibrationsprüfung,

4. kombinierte Vibrationsprüfung mit schnellem Temperaturwechsel.

Bei allen Prüfungen wird die Beanspruchung schrittweise erhöht, und zwar so lange, bis Funktionsstörungen auftreten, einzelne Komponenten des Prüflings zerstört werden oder das Limit der Technologie erreicht wird (z.B. Schmelzpunkt bei Plastik). Gleichzeitig lassen sich Betriebsparameter wie die Betriebsspannung variieren, um zusätzliche Stress-Bedingungen zu schaffen. Bei allen Tests muss der Prüfling überwacht werden, damit sich Ausfälle genau dokumentieren lassen. Sobald es zu einem Ausfall kommt, wird der Test gestoppt, der Ort des Fehlers gesucht und die Ursache analysiert.

Vier Prüfschritte für genaue Analyse

Bei der Temperaturstufenprüfung wird die Temperatur in der Kammer schrittweise in 10-K-Schritten bis zur Funktionsgrenze (oder bis zur Produkt- oder Technologiegrenze) abgesenkt. Anschließend wird der Testkandidat einer analogen Prozedur mit der Wärme unterzogen (Bild 2). Der zweite Test ist eine schnelle Temperaturwechselprüfung mit Änderungen von 60 K/min. Die obere und untere Temperaturgrenzwerte werden über die ermittelten Funktionsgrenzen definiert (Bild 3).

Beim dritten Test, einer mechanischen Beanspruchung bei Raumtemperatur, stimuliert man den Prüfling mit einem Rauschprofil von 20 bis 10.000 Hz in sechs Freiheitsgraden, wobei die Beschleunigung stufenweise um jeweils 5 grms bis zur Funktionsgrenze erhöht wird (Bild 4).

Als letzter Schritt folgt eine Kombination aus Temperatur- und Vibration: Die mechanische Beanspruchung wird stufenweise erhöht und mit dem Temperaturwechselprofil unterlegt (Bild 5). Für einen erfolgreichen Test müssen alle aufgetretenen Ausfälle und Fehler genau dokumentiert und anschließend analysiert werden. Ob alle Fehlerursachen behoben werden, hängt auch vom damit verbundenen Aufwand und den Kosten ab. Ebenso aber auch von der Differenz zwischen dem Grenzwert aus der Spezifikation und dem Wert, bei dem der Fehler auftrat. Bei einem nur kleinen Abstand ist es sehr wahrscheinlich, dass Fehler bei einzelnen Systemen im Feld bereits innerhalb der Spezifikationsgrenzen auftreten.

Stress-Screening auf Grundlage des HALT-Tests

Das HASS-Verfahren (Highly Accelerated Stress Screen) verifiziert die bei HALT ermittelten Grenzwerte. Mit dem HASS-Verfahren lassen sich eventuelle Probleme im Fertigungsprozess oder bei Komponenten schnell identifizieren und beheben. Hierzu werden die Systeme einem Stress-Screening unterzogen. Das bei diesem Test verwendete Profil beruht auf den Ergebnissen von HALT. Auch bei HASS werden die Systeme über die Spezifikationsgrenzen hinaus beansprucht. Das Erstellen eines geeigneten HASS-Profils ist produktabhängig und erfordert einige Erfahrungen. Zum einen will man alle latenten Schwachpunkte des Produktes entdecken und zum anderen darf HASS das Produkt nicht derart vorbelasten, dass die Lebensdauer relevant beeinflusst wird.

Siemens NetworksTel. +49(0)89 7220

*Dipl.-Ing.(FH) Jürgen Böck ist Vertriebsleiter im Siemens Center for Quality Engineering in München

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